变频调速器在电厂高压设备中的应用

变频调速器在电厂高压设备中的应用1引言交流变频调速技术及装置在我国有着突飞猛进的发展,由于变频调速在频率范围、动态响应、低频转矩、转差补偿、功率因数、工作效率等方面是以往的交流调速方式无法比拟的,因此在众多行业有了广泛的应用,并且在节约能源、改善工艺、提高生产效率等方面发挥了巨大作用,取得了巨大经济效益。当前,变频调速技术在高压大容量传动中应用的主要难题有两个：一是我国火力发电厂中大功率电动机供电电压高,而变频器开关器件的耐压水平较低,造成电压匹配上的难题；二是高压大容量变频调速技术含量高、难度大、成本也高,但一般风机水泵等节能用调速装置都要求低投入高回报,从而造成经济效益上的难题。这两个方面阻碍了高压大容量变频调速技术的推广应用,因此如何解决高压供电和用高技术生产出低成本的变频器是当前相关行业的竞争热点。2高压变频器的发展概况高压变频器产品采用不同措施解决了高耐压、大容量这一难题。虽然采用的技术不尽相同,但归纳起来主要有两种：一是采用多重化技术,再就是采用新开发的高耐压功率器件。2.1多重化技术的应用所谓多重化技术就是每相由几个低压pwm功率单元串接组成,各功率单元由一个多绕组的隔离变压器供电,以高速微处理机和光导纤维实现控制和通信。该技术从根本上解决了一般6脉冲和12脉冲变频器产生的谐波问题,可实现完美无谐波变频。其基本原理如下:图1多重化变频器拓扑图图1为6kv高压大容量变频器的拓扑图,它是由多个低压功率单元串联而成,由低压pwm变频单元叠加达到高压输出的目的。图2为变频器的结构原理图,各个功率单元由输入隔离变压器的二次隔离线圈分别供电,每个功率单元额定电压为690v,每相5个单元串联,因此相电压为3.45kv,所对应的线电压为6kv。给功率单元供电的二次线圈在绕制时互相存在一个12°的相位差,实现输入多重化,因此可形成相当于30脉冲的整流。由于多重化可消除各单元产生的大多数谐波,对电网的污染可降到很低,并且谐波无功造成的功率因数降低减到最小,在整个负荷范围内网侧功率因数均可保持在0.95以上,不需要配备改善功率因数的电容器。图2多重化变频器结构图图3为低压功率单元的结构原理图,它是由低压igbt构成的三相输入单相输出的脉宽调制型(pwm)变频器,电压输出0～690v可调和频率0～120hz可调。其输出电压为三电平即1,0,-1,每相5个单元叠加就可产生11种不同的电压等级(±5,±4,±3,±2,±1,0)。因此线电压即可形成23脉冲的电压波形,谐波极大减少。变频器输出电压非常接近正弦波形,大大降低了du/dt脉动对电动机绕组的冲击,减少了电动机的谐波损耗,电机可不降低额定容量使用,同时对电缆的绝缘也无特殊要求。采用多重化技术的变频器19次以下的谐波几乎完全消除,所以不需任何输出滤波器,从本质上就能提供正弦波电压输出,而且即使在低速时也能保持很好的输出正弦波形,不需配置输出滤波器,因此消除了因谐波造成的电机振动、噪音和温升等问题。由于谐波大为减少,由谐波引起的电动机功率因数和效率的损失也大为减少,所以变频部分效率高达98%以上,包括输入隔离变压器在内的整个变频系统的效率也高达96%以上。该类型变频器适合于高—高方式,由于采用低压功率器件,所以工作可靠,并且谐波含量极低,对电网影响小,适合于功率在1mw以上的电厂辅机应用。图3功率单元结构原理图2.2高耐压开关器件的应用变频器中常用的开关器件多为igbt、gtr、gto等,由于制造水平及原材料的原因,使这些器件的耐压很难达到直接应用于6kv的电压,因此多采用高耐压器件。igct(eto)、hv-igbt等耐压可达4.5kv。目前较多采用专门研制的高耐压开关器件并以传统的交流变频器结构的高压变频器。以有代表性的西门子公司产品simovertmv系列为例进行简要介绍。simovertmv系列变频器采用传统的交—直—交变频器结构,整流部分采用12脉冲或24脉冲二极管整流器,逆变部分采用三电平pwm逆变器。图4为simovertmv系列变频器的原理结构图。由图4可以看出,该系列变频器采用传统的电压型变频器结构,通过采用耐压较高的hv-igbt模块,使得串联器件数减少为12个,随着元件数量的减少,成本降低,方案变得简洁,从而使柜体尺寸更小,可靠性更高。由于变频器的整流部分是非线性的,会产生高次谐波,此高次谐波将使电网的电压和电流波形发生畸变,对电网造成污染。图4所示的simovertmv系列变频器的12脉冲整流原理接线图中,三相桥式整流相当于六相整流,现将两组三相桥式整流电路用流变压器联系起来,其初级绕组结成三角形,次级绕组一组结成三角形,一组结成星形,整流变压器次级2个绕组的线电压相同,但2个绕组的线电压相位相差30°,这样5次、7次谐波在变压器的初级将会有180°的相移,因而能够相互抵消,同样17、19次也相互抵消。这样经过2个整流桥的串联叠加后,即可得到12波头的整流输出波形,比6个波头更平滑,并且每桥的整流二极管耐压降低一半。采用12相整流电路减少了特征谐波含量,由于n=kp±1（p为整流相数,k为自然数,n为特征谐波的次数）,所以网侧特征谐波只有11、13、23、25等。同理采用24脉冲整流电路网侧谐波被更进一步抑制。两种选择方案均可使输入功率因数在整个功率范围内保证在0.95以上,不需功率因数补偿电容器。图4simovertmv系列变频器的原理结构图simovertmv系列变频器的逆变部分采用传统的三电平方式,所以不可避免地会产生比较大的谐波分量,这是三电平逆变方式所固有的。因此simovertmv系列变频器的输出侧需要配置输出滤波器才能用于通用的电动机,否则必须配用西门子的专用电动机。同样由于谐波的影响,电动机的功率因数和工作效率都会受到一定的影响,只有在额定运行点处才能达到最佳的工作状态,随着转速的降低,工作效率和功率因数都会相应降低。这是该类型高压变频器的缺点所在,因而限制了其应用。另外,simovertmv系列变频器的一个特色是可以提供有源前端(afe),afe也采用三电平技术,因而可以实现电动机的4象限传动方案,即可以进行双向电动和能量反馈制动运行。如图5所示为有源前端的整流器,由于afe反并联了12个反馈二极管,因此可提供直流环节富余能量回馈电网的通路。有源前端的引入为该系列变频器在交流传动的应用提供了较大的空间。图5有源前端(afe)原理图两种类型的高压变频器各有优缺点,多重化变频器能够提供无谐波的变频,在对谐波要求比较严格的电力系统有着比较大的应用前景,但其缺点目前来说是比较明显的,即变频器体积大,安装不便,造价高。采用高耐压开关器件的变频器体积小,可靠性相对较高,但不可否认的是其比较严重的谐波污染及对电动机的特殊要求,若考虑输出滤波器的因素,其造价也不低。所以在应用过程中应根据实际需求选用性价比较高的变频器。绵3膏变频呜器在严6k纽v供江电系社统中朱的使食用方暂式嗽由于主整套祥系统疫的要捉求各仇不相句同,苗各地予所用营电动柔机的熊额定烘电压进、额洲定功肢率也匆就不宗同,待所以裁选用错的变竟频器毅和整旗个系巷统的首组成尾方式吉也各凑不相京同。幕为了蚀很好容地满亭足系怠统的文需求谎,应登该根性据实柳际情藏况选值用性崇能价壮格比秀较好找的变树频器眉和系到统组介成方获式。迁对于课6k众v供鸡电系虽统,先变频录器的乖应用霞有如信下几电种方聪式。搁2.雹1筒高—传高方议式婶用额毁定电组压为绣6k捎v的杂高压嫩pw兴m电赤压型吉变频易器直储接驱蚀动电喂机,欢实现域变频全调速猜。此择种方储式整般体效拢率高演,当污电厂迷辅机擦电机脏容量鼻在1链mw貌时应诉用较称合适互。当蹄电机肾容量除较小领时（渗小于稠70耀0k繁w）遮,采喊用6斥kv铁高压意变频燕器,协价格勺就显谎得比辆较高行了。姓2.守2由高—奴低—持高方乓式陕用输标入变合压器疑将6考kv之高压扯降为膛60梨0v峡（或豪46拒0v春）,零用低粮压电弹流源千型变略频器艰实现欣变频码调速醋,再城用输跌出变蓝压器管升压翠至6独kv莲,以淡控制柿电机弟调速替。此份种方借式较落适合窑中等耀或中站等偏芬下功削率电橡机的嫂应用波(1膀00雷～1捷50畜0k绢w)千,所旗以价宪格比废较合纤理,押调速仅平稳豆、使颗用可僚靠,绿缺点呈是增教加输歌出升绝压变煎压器楚,系申统效母率略怨微降捆低,款且占凳地面呜积大痛。适真合的案变频壤器选难择范售围比惑较宽萌。米2.导3贷高—纱中—国中方吃式粥如果应将6臣kv贤的高庭压电寨机改解装成计3k六v电透机,谦就可失使用递3k浮v的例变频阔器,鄙提高须系统园效率满,降袄低投风资费眠用,负而性配能与挎直接碌控制涨方式词相同旋。采浊用多沾重化擦技术怨的变盗频器看或高枣耐压挤开关肚器件宇的变帆频器侄均可逢,选住择面爷相对彻较宽伤。浴2.轰4咱高—瘦低—匹低方笼式卧当电家机的真功率喜在5盼00遗kw殖以下机时,币最好参的方掏法是遣选用之低压尚电机程取代纳原有您高压纷电机锅。经染输入黎降压歼变压巡器降狼压后秆,用粉低压服变频劳器直嚼接控爽制调脖速。刷此方泥案性建能良杰好,势变频父器即扶使加浩上新财电机销的成屿套费服用,莫比其皂他方逢式还傲要低浴,而兔且不酒含高凶压器违件,明维修挎使用列方便继,变擦频器爹选择糖范围扬很大六。压4寒变频逆调速磁技术队在火棉力发就电厂并中的挖应用贵4.愉1术火电雀厂中纽的节碑能应卷用灵火力该发电逆厂中伤的各桌种动模力设础备中糊,风苹机水衫泵类短负载边占绝托大部满分。予由于摧各电渐厂调核峰力设度的腔加大层,这拥些设挤备的姻负荷侮变化寻范围然很大老,所故以必根须实治时调跌节风戏机水晒泵的躬流量霜。目荣前调搭节流浸量的拉方法诸多为痛节流吴阀调叙节,丧由于招这种质调节角方法眠仅仅灾是改涌变了孕通道出的通扔流阻亏抗,颗而驱河动源澡的输僚出功财率并旱没有利改变喷,所损以浪赚费了因大量挠能源俭。尤朵其现宵在电约力行卷业改辅革不附断深触化,局厂网园分开填、竞洲价上限网政挖策的扑开展征实施听,降任低厂松用电撑率、竞降低冬发电暑成本益提高悄出厂合电价易的竞胳争力盈,就机成为钟各个固电厂跨的当窑务之猾急。或采用衡变频突调速傍技术茶对这巴些辅崖机设包备进符行改方造是离非常印适合乘的,龄而且等节能锹非常劝明显闲。云4.那2垃火电狡厂中疼的软婆起动抗应用朱直接帜起动唤的交券流电稼机因辟起动冰电流施大（丑通常漂为5军～7各倍的抖额定候电流燕）,愤在很屈短的妖起动汪过程泄中,胁笼型独绕组翻或阻件尼绕剃组将甚承受近很高文的热饮应力矮和机况械应企力,第致使片笼条厉（或友导条诵）和差端环天在很丧高的今应力峡作用托下疲概劳断醒裂。药直接狮起动诵时的占大电竖流还进会在殖绕组锋端部面产生佣很大却电磁饱力,肉使绕舞组端缴部变围形和壳振动山,造产成定幅子绕血组绝胸缘的毫机械兆损伤公和磨鸡损,狼而导甩致定丛子绕督组绝涛缘击竟穿。肢起动纺时的枯大电终流还独会造饮成铁间心振末动,甲使铁茎心松垄弛,搂引起旱电动业机的搞发热伟。在母火力驻发电榜厂中夺,高墓压大呜容量汪交流嘉异步熊电动队机应虏用非密常广犹泛,输由于师直接稍起动冈所造轻成的竖电动乞机烧电毁和立转子球断条划事故劣,屡仁屡发方生,巷给主觉机设能备的苍安全闸经济劝运行谨带来膝很大两的威域胁,培因此纤大容塘量异拖步电恒动机派采用字软起宝动方限式,头对于存延长棍电动鼠机使革用寿临命,虹减少歌对电允网的由冲击谅,保紧证正舒常生刊产是礼非常贿必要甚的。界由于员电动超机在产变频的起动下过程箩中可票实现炭高起歉动转增矩并算且平尖滑无米冲击斩,所旋以采膝用变汇频器任